第八章数模转换与模缴转换 模拟量与数字量之间的相互转换，在 电子电器设：备的检测、控制系统中应用十 →数模转换 分广泛，把模拟量转换成数字量的过程叫 ◆模数转换 做模/数转换，把完成这种功能的电路叫 做模/数转换器，简称ADC。把数字量转 ◆本章小结 换成模拟量的过程叫做数模转换，把完 成这种功能的电路叫做数模转换器。简 称DAC。 ac美
1 back 模拟量与数字量之间的相互转换，在 电子电器设备的检测、控制系统中应用十 分广泛，把模拟量转换成数字量的过程叫 做模/数转换，把完成这种功能的电路叫 做模/数转换器，简称ADC。把数字量转 换成模拟量的过程叫做数/模转换，把完 成这种功能的电路叫做数/模转换器，简 称DAC。 数模转换 模数转换 本章小结 第八章 数模转换与模数转换
第一节数/模转换器 一、数/模转换原理 DAC是将输入二进制码的每一位先转换成与其数值成正比例的电压或电流模拟 量，然后把这些模 基准电压源VREF 0 输入寄存器 电子模拟开关 电阻译码网络 求和放大器 Vo模拟量 输出 n位 RE=R 二、倒T型电阻网络DAC Do D D D N Vp A+ 1..电路组成 倒T型电阻网络DAC是由电阻译码组A话 网络(R和2R)、电子开关(SS3)和 2R 2R 3 运算放大器(A、)三部分组成。 D-1
第一节 数/模转换器 一、数/模转换原理 DAC是将输入二进制码的每一位先转换成与其数值成正比例的电压或电流模拟 量，然后把这些模拟量相加，即得与输入的数字量成正比的模拟量。 DAC组成框图 二、倒T型电阻网络DAC 1. 电路组成 倒T型电阻网络DAC是由电阻译码 网络（R和2R）、电子开关（S0~S3）和 运算放大器（A、RF）三部分组成。 倒T型电阻网络DAC
2.工作原理 2 (1)电阻译码网络由R和2R两种电阻构成T型结构。电子开关SoS,分别由二 进数D,~D,控制，当D=1时S接运算放大器的输入端N(为虚地)，而D0时S接地 端。从基准电源VF看进去整个电阻网络的等效电阻为R,因此基准电源提供的电流 为 l= V REE =S,7+S2 +S 流入运算放大器反相端的电流 8 =3 +S22 +5 0 16 用二进制数DoD3取代So~S3,得 (15-1) (2)运算放大器 运算放大器的作月。=(2D,+2D,+2D+2°D,)成与输 入数字量成正比的模拟电压输出，运算放大奋西电压：V。红 将式(15-1)代入上式，R时， (15-2)
2.工作原理 （1）电阻译码网络 由R和2R两种电阻构成T型结构。电子开关S0~S3分别由二 进数D0~D3控制，当Di=1时Si接运算放大器的输入端IN-（为虚地），而Di=0时Si接地 端。从基准电源VREF看进去整个电阻网络的等效电阻为R，因此基准电源提供的电流I 为 流入运算放大器反相端的电流 用二进制数D0~D3取代S0~S3，得 （15-1） （2）运算放大器 运算放大器的作用是将电阻网络的输出电流IΣ转换成与输 入数字量成正比的模拟电压输出，运算放大器的输出电压：vo= - IΣ ·RF 将式（15-1）代入上式，RF=R时，得 （15-2） R V I REF 2 4 8 16 3 2 1 0 I S I S I S I i S (2 2 2 2 ) 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 REF o D D D D V v 2 4 8 16 3 2 1 0 I S I S I S I i S
(3)电子模拟开关S:由于开关S的作用是在输入数码信号D控制下，将电阻 网络接到放大器的输入端或地端去，它好像一个单刀双掷开关，故常称它为模拟开 关，电子模拟开关可以由场效应管或三极管构成。 .co A 模拟开关 o-Vcc R 2R R 秧拟开天电玲图 秧队开大守双 ●当D,=时，V,截止，与地端断开；此时由于V的发电压升高，相应的V, 导通能力加强，使V,导通，将电阻网络接至运放的反相输入 ●当D,=0时，V导通能力加强，使V,导通，与地端接通；此时由于V,的发射极 电压降低，相应的V2导通能力诚弱，使V截山卢运放的反相输入端断开，将电阻 网络接至地端
（3）电子模拟开关Si 由于开关Si的作用是在输入数码信号Di控制下，将电阻 网络接到放大器的输入端或地端去，它好像一个单刀双掷开关，故常称它为模拟开 关，电子模拟开关可以由场效应管或三极管构成。 模拟开关电路图 模拟开关等效电路 当Di ＝l时， V3截止，与地端断开；此时由于V1的发射极电压升高，相应的V2 导通能力加强，使V4导通，将电阻网络接至运放的反相输入端。 当Di ＝0时，Vl导通能力加强，使V3导通，与地端接通；此时由于V1的发射极 电压降低，相应的V2导通能力减弱，使V4截止，与运放的反相输入端断开，将电阻 网络接至地端
三、DAC的主要参数指标 1.转换精度 指实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差，也称最大静态转换 误差。产生偏差的主要原因是模拟开关的导通电压、电阻网络的电阻值不尽相等等因 素所致。 2.分辨率 它反映分辨输出最小电压的能力，即指输入数字量只有最低有效位为1时输出的 最小电压值与输入数字量所有有效位为1时输出的最大电压值之比。对n位DAC,分辨 率为。位数越多，分辨率越高。 10-1 ≈0.1 例如，一个10位DAC,输出电压满量程为8V,则它的分辨率为 %,能 分辩输出的最小电压值为8V×0.1%=8mV。 3.y 转换速度 是指输入数字量到输出模拟量所需的时间，用于衡量数模转换快慢的重要参数。 高速系统中应可靠考虑选用转换速度快的DAC
三、DAC的主要参数指标 1. 转换精度 指实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差，也称最大静态转换 误差。产生偏差的主要原因是模拟开关的导通电压、电阻网络的电阻值不尽相等等因 素所致。 2. 分辨率 它反映分辨输出最小电压的能力，即指输入数字量只有最低有效位为1时输出的 最小电压值与输入数字量所有有效位为1时输出的最大电压值之比。对n位DAC，分辨 率为。位数越多，分辨率越高。 例如，一个10位DAC，输出电压满量程为8V，则它的分辨率为 %，能 分辩输出的最小电压值为8V×0.1%=8mV。 3. 转换速度 是指输入数字量到输出模拟量所需的时间，用于衡量数模转换快慢的重要参数。 高速系统中应可靠考虑选用转换速度快的DAC。 0.1 2 1 1 10
四、集成DAC介绍 DAC0832是一种8位的CMOS型D/A转换电路，其芯片结构框图及外引线功能 图见下图。DAC0832内部主要包括：一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一 个8位D/A转换器，该芯片由于内部采用双缓冲寄存器，可以方便的实现多个D/A转 换器同时一“ 20 pi 13 14 15 1 8位 8位 8位 21ow2 D 4 输入 DAC D/A 5 IouTi c5口1 20 D, 寄存器 寄存器 转换器 VDD 6 WR1口2 19▣ILE 9RF AGND▣3 18口WR2 ILE 19 D3日4 17▣XFER 3 AGND D25 DAC0832 16pD4 D,▣6 15▣D3 CS 10 DGND D日7 14▣D6 WR 2 DAC0832 VREF口8 13口D7 R日9 12OUTI WR, 18 DGND▣1O 11/oUT2 XFER 17 (a)结构框图 (b)引脚排列图 集成数/模转换器DACO832
四、集成DAC介绍 DAC0832是一种8位的CMOS型D／A转换电路，其芯片结构框图及外引线功能 图见下图。DAC0832内部主要包括：一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一 个8位D/A转换器，该芯片由于内部采用双缓冲寄存器，可以方便的实现多个D／A转 换器同时工作。 （a）结构框图 （b）引脚排列图 集成数/模转换器DAC0832
1,DAC0832的引脚说明 DD2:8位数字信号输人端，D为最低位，D为最高位。 WR C :输入寄存器允许，高电平有效，它与 共同控制输入寄存器选通。 WR：输入片选信号，低电平有效CS WR 写信号1，低电平有效，当 =0,ILE=1 才能将数据线上的数 据写寄行器中。 WR, WR2 XFER :控制传输信号输入端，低电平有效，控制 选通DAC寄存器。 :写信号2，低电平有效，它 与配合，当二者均为0时，将输入寄存 器中的值写入DAC寄存器中。 VRF:基准参考电压端，取值范围为：-1OV+10V。 模拟电流输出惴1，肖DAC寄存器金为时，/输出最大：全0时， 输出最小。 模拟电流输出端2，使用时一般将其接地
1. DAC0832的引脚说明 D0~D7：8位数字信号输人端，D0为最低位，D7为最高位。 ILE：输入寄存器允许，高电平有效，它与 ， 共同控制输入寄存器选通。 ：输入片选信号，低电平有效。 ：写信号1，低电平有效，当 ＝0，ILE＝1时， 才能将数据线上的数 据写入寄存器中。 ：控制传输信号输入端，低电平有效，控制 选通DAC寄存器。 ：写信号2，低电平有效，它 与配合，当二者均为0时，将输入寄存 器中的值写入DAC寄存器中。 VREF：基准参考电压端，取值范围为：-10V~+10V。 IOUT1：模拟电流输出端1，当DAC寄存器全为l时，输出最大；全0时，输出最小。 IOUT2：模拟电流输出端2，使用时一般将其接地。 RF：外接反馈电阻端。 WR1 WR1 WR2 WR1 XFER XFER CS CS CS WR2
Vcc:电源电压端；】 取值范围为： 5V15V. DGND:数字信号的地。 R AGND:模拟信号的地。 19 171822209 13 D ILE XFER WRjCSVcc 14 D6 WR2 2.典型应用电路 I oUTi 11 数 15 Dj 据 16 Da 输 4 D3 DAC0832 CSAC0邓广佣于毈型计算机 I oUT2 12 A+ 入 5 D2 模拟量输出 上，可利用微机的输出信号对DAC0832 6 7 的 WRWR2、E瑞 Do VREF AGND DGND 8 3 10 进行控制。但也可以直接接成允许输 入的形式，只要将 VRE 端接低电位，ILE端接高电位即可。 DACG8E?典型应用电路 DACO832芯片为电流输出型D/A转换器， 要获得模拟电压输出时需外接运算放 大器
VCC：电源电压端；取值范围为： 5V~15V。 DGND：数字信号的地。 AGND：模拟信号的地。 2．典型应用电路 DAC0832广泛用于单片微型计算机 上，可利用微机的输出信号对DAC0832 的 、 、 、 、ILE 端 进行控制。但也可以直接接成允许输 入的形式，只要将 、 、 、 端接低电位，ILE 端接高电位即可。 DAC0832芯片为电流输出型D/A转换器， 要获得模拟电压输出时需外接运算放 大器。 WR1 WR2 XFER WR1 WR2 XFER DAC0832典型应用电路 CS
第二节模数转换 一、模数转换原理 模/数转换器ADC的功能是把模拟信号转换为二进制数码。 1.逐次逼近ADC的转换原理 逐次逼近ADC的转变过程与用天平称量物体的重量相类似，被称重的物体放在 天平的一端，另一端从大到小依次放上砝码。通过调整砝码重量，可使天平上累计的 砝码的总重量逐次逼近物体的重量。 2,逐次逼近ADC的 模拟信号 D/A转换器 数码信号 逐次逼近ADC由比车 路以及时钟信号等 数码寄存器 数字输出 几部分组成。 比较器 -Do∞ C+ 控制电路 时钟信号 模拟输入
第二节 模数转换 一、模数转换原理 模/数转换器ADC的功能是把模拟信号转换为二进制数码。 1．逐次逼近ADC的转换原理 逐次逼近ADC的转变过程与用天平称量物体的重量相类似，被称重的物体放在 天平的一端，另一端从大到小依次放上砝码。通过调整砝码重量，可使天平上累计的 砝码的总重量逐次逼近物体的重量。 2．逐次逼近ADC的组成框图 逐次逼近ADC由比较器、D／A转换器、数码寄存器、控制电路以及时钟信号等 几部分组成。 逐次逼近ADC组成框图
(1)转换开始先将数码寄存器清零。开始转换后，时钟信号将数码寄存 器的最高位置1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模 拟电压y,送到比较器中与输入的模拟量比较。若y>y,说明数字过大了， 故将最高位的1清除；若y<y,说明数字还不够大，应将最高位的1保留。 (2)接着控制器将次高位置成1，使数码寄存器输出数字为口100，再经 D/A转换器转换成相应的模拟电压，送到比较器中与输入的模拟量比较， 以同样的方法确定这个是否应该保留。 (3)再按同样的方法把第三个数码置1，使数码寄存器输出数字为口口10 ,并且经过比较后确定这个是否应该保留。 (4)最后将最低位数码置1，使数码寄存器输出数字为口口口1，比较完 毕后，寄存器中保留的数码就是A/D转换数码
（1）转换开始先将数码寄存器清零。开始转换后，时钟信号将数码寄存 器的最高位置1，使输出数字为1000。这个数码被D／A转换器转换成相应的模 拟电压vF，送到比较器中与输入的模拟量vi比较。若vF＞vi，说明数字过大了， 故将最高位的1清除；若vF＜vi，说明数字还不够大，应将最高位的1保留。 （2）接着控制器将次高位置成1，使数码寄存器输出数字为□100，再经 D／A转换器转换成相应的模拟电压vF，送到比较器中与输入的模拟量vi比较， 以同样的方法确定这个l是否应该保留。 （3）再按同样的方法把第三个数码置1，使数码寄存器输出数字为□□10 ，并且经过比较后确定这个l是否应该保留。 （4）最后将最低位数码置1，使数码寄存器输出数字为□□□1，比较完 毕后，寄存器中保留的数码就是A/D转换数码